Semi-conducteur - Semiconductor

Contours des dispositifs à semi-conducteurs

Un matériau semi-conducteur a une valeur de conductivité électrique comprise entre celle d'un conducteur , tel que le cuivre métallique, et d'un isolant , tel que le verre. Sa résistivité diminue au fur et à mesure que sa température augmente ; les métaux se comportent en sens inverse. Ses propriétés conductrices peuvent être modifiées de manière utile en introduisant des impuretés (« dopage ») dans la structure cristalline . Lorsque deux régions dopées différemment existent dans le même cristal, une jonction semi - conductrice est créée. Le comportement des porteurs de charge , qui comprennent des électrons , des ions et des trous d'électrons , à ces jonctions est la base des diodes , des transistors et de la plupart des appareils électroniques modernes . Quelques exemples de semi-conducteurs sont le silicium , le germanium , l'arséniure de gallium et les éléments proches du soi-disant « escalier métalloïde » sur le tableau périodique . Après le silicium, l'arséniure de gallium est le deuxième semi-conducteur le plus courant et est utilisé dans les diodes laser, les cellules solaires, les circuits intégrés hyperfréquences et autres. Le silicium est un élément critique pour la fabrication de la plupart des circuits électroniques.

Les dispositifs à semi-conducteurs peuvent afficher une gamme de propriétés utiles, telles que le passage du courant plus facilement dans une direction que l'autre, une résistance variable et une sensibilité à la lumière ou à la chaleur. Étant donné que les propriétés électriques d'un matériau semi-conducteur peuvent être modifiées par dopage et par l'application de champs électriques ou de lumière, les dispositifs fabriqués à partir de semi-conducteurs peuvent être utilisés pour l'amplification, la commutation et la conversion d'énergie .

La conductivité du silicium est augmentée en ajoutant une faible quantité (de l'ordre de 1 sur 10 8 ) d' atomes pentavalents ( antimoine , phosphore ou arsenic ) ou trivalents ( bore , gallium , indium ). Ce processus est connu sous le nom de dopage et les semi-conducteurs résultants sont appelés semi-conducteurs dopés ou extrinsèques. Outre le dopage, la conductivité d'un semi-conducteur peut être améliorée en augmentant sa température. Ceci est contraire au comportement d'un métal, dans lequel la conductivité diminue avec une augmentation de la température.

La compréhension moderne des propriétés d'un semi-conducteur repose sur la physique quantique pour expliquer le mouvement des porteurs de charge dans un réseau cristallin . Le dopage augmente considérablement le nombre de porteurs de charge dans le cristal. Lorsqu'un semi-conducteur dopé contient des trous libres, il est appelé « type p », et lorsqu'il contient des électrons libres, il est dit « type n ». Les matériaux semi-conducteurs utilisés dans les dispositifs électroniques sont dopés dans des conditions précises pour contrôler la concentration et les régions des dopants de type p et n. Un seul cristal de dispositif semi-conducteur peut avoir de nombreuses régions de type p et n; les jonctions p–n entre ces régions sont responsables du comportement électronique utile. En utilisant une sonde à point chaud , on peut déterminer rapidement si un échantillon de semi-conducteur est de type p ou n.

Certaines des propriétés des matériaux semi-conducteurs ont été observées tout au long du milieu du 19e et des premières décennies du 20e siècle. La première application pratique des semi-conducteurs en électronique a été le développement en 1904 du détecteur à moustaches de chat , une diode semi-conductrice primitive utilisée dans les premiers récepteurs radio . Les développements de la physique quantique ont conduit à l'invention du transistor en 1947, du circuit intégré en 1958 et du MOSFET ( transistor à effet de champ métal-oxyde-semiconducteur ) en 1959.

Propriétés

Conductivité électrique variable

Les semi-conducteurs dans leur état naturel sont de mauvais conducteurs car un courant nécessite le flux d'électrons, et les semi-conducteurs ont leurs bandes de valence remplies, empêchant tout flux de nouveaux électrons. Plusieurs techniques développées permettent aux matériaux semi-conducteurs de se comporter comme des matériaux conducteurs, comme le dopage ou le gating . Ces modifications ont deux résultats: type n et de type p . Ceux-ci se réfèrent respectivement à l'excès ou à la pénurie d'électrons. Un nombre déséquilibré d'électrons ferait circuler un courant à travers le matériau.

Hétérojonctions

Les hétérojonctions se produisent lorsque deux matériaux semi-conducteurs dopés différemment sont joints. Par exemple, une configuration pourrait être constituée de germanium dopé p et dopé n. Il en résulte un échange d'électrons et de trous entre les matériaux semi-conducteurs différemment dopés. Le germanium dopé n aurait un excès d'électrons, et le germanium dopé p aurait un excès de trous. Le transfert se produit jusqu'à ce qu'un équilibre soit atteint par un processus appelé recombinaison , qui amène les électrons en migration du type n à entrer en contact avec les trous en migration du type p. Le résultat de ce processus est une bande étroite d' ions immobiles, qui provoque un champ électrique à travers la jonction.

Électrons excités

Une différence de potentiel électrique sur un matériau semi-conducteur le ferait sortir de l'équilibre thermique et créerait une situation de non-équilibre. Cela introduit des électrons et des trous dans le système, qui interagissent via un processus appelé diffusion ambipolaire . Chaque fois que l'équilibre thermique est perturbé dans un matériau semi-conducteur, le nombre de trous et d'électrons change. De telles perturbations peuvent se produire à la suite d'une différence de température ou de photons , qui peuvent pénétrer dans le système et créer des électrons et des trous. Le processus qui crée et annihile les électrons et les trous est appelé respectivement génération et recombinaison .

Émission lumineuse

Dans certains semi-conducteurs, les électrons excités peuvent se détendre en émettant de la lumière au lieu de produire de la chaleur. Ces semi-conducteurs sont utilisés dans la construction de diodes électroluminescentes et de points quantiques fluorescents .

Haute conductivité thermique

Les semi-conducteurs à haute conductivité thermique peuvent être utilisés pour la dissipation thermique et l'amélioration de la gestion thermique de l'électronique.

Conversion d'énergie thermique

Les semi-conducteurs ont de grands facteurs de puissance thermoélectrique, ce qui les rend utiles dans les générateurs thermoélectriques , ainsi que des valeurs thermoélectriques de mérite élevées les rendant utiles dans les refroidisseurs thermoélectriques .

Matériaux

Les cristaux de silicium sont les matériaux semi-conducteurs les plus couramment utilisés en microélectronique et en photovoltaïque .

Un grand nombre d'éléments et de composés ont des propriétés semi-conductrices, notamment :

Les matériaux semi-conducteurs les plus courants sont les solides cristallins, mais les semi-conducteurs amorphes et liquides sont également connus. Ceux-ci comprennent du silicium amorphe hydrogéné et des mélanges d' arsenic , de sélénium et de tellure dans diverses proportions. Ces composés partagent avec des semi-conducteurs mieux connus des propriétés de conductivité intermédiaire et une variation rapide de conductivité avec la température, ainsi qu'une résistance négative occasionnelle . De tels matériaux désordonnés n'ont pas la structure cristalline rigide des semi-conducteurs conventionnels tels que le silicium. Ils ont généralement été utilisés dans des structures à couches minces , qui ne nécessitent pas de matériau de qualité électronique supérieure, étant relativement insensibles aux impuretés et aux dommages causés par les rayonnements.

Préparation de matériaux semi-conducteurs

Presque toute la technologie électronique d'aujourd'hui implique l'utilisation de semi-conducteurs, l'aspect le plus important étant le circuit intégré (CI), que l'on trouve dans les ordinateurs de bureau , les ordinateurs portables , les scanners, les téléphones portables et autres appareils électroniques. Les semi-conducteurs pour circuits intégrés sont fabriqués en série. Pour créer un matériau semi-conducteur idéal, la pureté chimique est primordiale. Toute petite imperfection peut avoir un effet drastique sur le comportement du matériau semi-conducteur en raison de l'échelle à laquelle les matériaux sont utilisés.

Un degré élevé de perfection cristalline est également requis, car les défauts de la structure cristalline (tels que les dislocations , les jumeaux et les défauts d'empilement ) interfèrent avec les propriétés semi-conductrices du matériau. Les défauts cristallins sont une cause majeure de dispositifs semi-conducteurs défectueux. Plus le cristal est gros, plus il est difficile d'atteindre la perfection nécessaire. Les processus de production de masse actuels utilisent des lingots de cristal d'un diamètre compris entre 100 et 300 mm (3,9 et 11,8 pouces), développés sous forme de cylindres et découpés en tranches .

Il existe une combinaison de processus utilisés pour préparer des matériaux semi-conducteurs pour les circuits intégrés. Un processus est appelé oxydation thermique , qui forme du dioxyde de silicium à la surface du silicium . Ceci est utilisé comme isolant de grille et oxyde de champ . D'autres procédés sont appelés photomasques et photolithographie . Ce processus est ce qui crée les motifs sur les circuits dans le circuit intégré. La lumière ultraviolette est utilisée avec une couche de résine photosensible pour créer un changement chimique qui génère les motifs du circuit.

La gravure est le prochain processus qui est requis. La partie du silicium qui n'était pas recouverte par la couche de résine photosensible de l'étape précédente peut maintenant être gravée. Le principal procédé généralement utilisé aujourd'hui s'appelle la gravure au plasma . La gravure au plasma implique généralement un gaz de gravure pompé dans une chambre à basse pression pour créer du plasma . Un gaz de gravure courant est le chlorofluorocarbure , ou plus communément appelé fréon . Une tension radiofréquence élevée entre la cathode et l' anode est ce qui crée le plasma dans la chambre. La plaquette de silicium est située sur la cathode, ce qui la fait toucher par les ions chargés positivement qui sont libérés du plasma. Le résultat est du silicium gravé de manière anisotrope .

Le dernier processus est appelé diffusion . C'est le processus qui donne au matériau semi-conducteur ses propriétés semi-conductrices souhaitées. Il est également connu sous le nom de dopage . Le processus introduit un atome impur dans le système, ce qui crée la jonction pn . Pour obtenir les atomes impurs incrustés dans la plaquette de silicium, la plaquette est d'abord placée dans une chambre à 1 100 degrés Celsius. Les atomes sont injectés et finissent par diffuser avec le silicium. Une fois le processus terminé et le silicium a atteint la température ambiante, le processus de dopage est terminé et le matériau semi-conducteur est prêt à être utilisé dans un circuit intégré.

Physique des semi-conducteurs

Bandes d'énergie et conduction électrique

Remplissage des états électroniques dans divers types de matériaux à l' équilibre . Ici, la hauteur est l'énergie tandis que la largeur est la densité d'états disponibles pour une certaine énergie dans le matériau répertorié. La teinte suit la distribution de Fermi–Dirac ( noir : tous les états remplis, blanc : aucun état rempli). Dans les métaux et les semi- métaux , le niveau de Fermi E F se situe à l'intérieur d'au moins une bande.
Dans les isolants et les semi -
conducteurs, le niveau de Fermi est à l'intérieur d'une bande interdite ; cependant, dans les semi-conducteurs, les bandes sont suffisamment proches du niveau de Fermi pour être thermiquement peuplées d'électrons ou de trous .

Les semi-conducteurs sont définis par leur comportement conducteur électrique unique, quelque part entre celui d'un conducteur et d'un isolant. Les différences entre ces matériaux peuvent être comprises en termes d' états quantiques pour les électrons, dont chacun peut contenir zéro ou un électron (par le principe d'exclusion de Pauli ). Ces états sont associés à la structure de bande électronique du matériau. La conductivité électrique est due à la présence d'électrons dans des états délocalisés (s'étendant à travers le matériau), cependant, pour transporter des électrons, un état doit être partiellement rempli , ne contenant un électron qu'une partie du temps. Si l'état est toujours occupé par un électron, alors il est inerte, bloquant le passage d'autres électrons via cet état. Les énergies de ces états quantiques sont critiques puisqu'un état n'est partiellement rempli que si son énergie est proche du niveau de Fermi (voir les statistiques de Fermi-Dirac ).

Une conductivité élevée dans le matériau vient de ce qu'il a de nombreux états partiellement remplis et beaucoup de délocalisation d'état. Les métaux sont de bons conducteurs électriques et ont de nombreux états partiellement remplis avec des énergies proches de leur niveau de Fermi. Les isolants , en revanche, ont peu d'états partiellement remplis, leurs niveaux de Fermi se situent dans des bandes interdites avec peu d'états d'énergie à occuper. Il est important de noter qu'un isolant peut être rendu conducteur en augmentant sa température : le chauffage fournit de l'énergie pour promouvoir certains électrons à travers la bande interdite, induisant des états partiellement remplis à la fois dans la bande d'états sous la bande interdite ( bande de valence ) et dans la bande d'états au-dessus de la bande interdite. bande interdite (bande de conduction ). Un semi-conducteur (intrinsèque) a une bande interdite inférieure à celle d'un isolant et à température ambiante, un nombre important d'électrons peut être excité pour traverser la bande interdite.

Un semi-conducteur pur, cependant, n'est pas très utile, car ce n'est ni un très bon isolant ni un très bon conducteur. Cependant, une caractéristique importante des semi-conducteurs (et de certains isolants, appelés semi-isolants ) est que leur conductivité peut être augmentée et contrôlée par dopage avec des impuretés et déclenchement avec des champs électriques. Le dopage et le déclenchement déplacent la bande de conduction ou de valence beaucoup plus près du niveau de Fermi et augmentent considérablement le nombre d'états partiellement remplis.

Certains matériaux semi-conducteurs à bande interdite plus large sont parfois appelés semi-isolants . Lorsqu'ils ne sont pas dopés, ceux-ci ont une conductivité électrique plus proche de celle des isolants électriques, mais ils peuvent être dopés (les rendant aussi utiles que les semi-conducteurs). Les semi-isolants trouvent des applications de niche dans la micro-électronique, comme les substrats pour HEMT . Un exemple d'un semi-isolant commun est l'arséniure de gallium . Certains matériaux, tels que le dioxyde de titane , peuvent même être utilisés comme matériaux isolants pour certaines applications, tout en étant traités comme des semi-conducteurs à large gap pour d'autres applications.

Porteurs de charge (électrons et trous)

Le remplissage partiel des états au bas de la bande de conduction peut être compris comme un ajout d'électrons à cette bande. Les électrons ne restent pas indéfiniment (à cause de la recombinaison thermique naturelle ) mais ils peuvent se déplacer pendant un certain temps. La concentration réelle d'électrons est généralement très diluée, et donc (contrairement aux métaux), il est possible de considérer les électrons dans la bande de conduction d'un semi-conducteur comme une sorte de gaz idéal classique , où les électrons volent librement sans être soumis à le principe d'exclusion de Pauli . Dans la plupart des semi-conducteurs, les bandes de conduction ont une relation de dispersion parabolique , et donc ces électrons répondent aux forces (champ électrique, champ magnétique, etc.) comme ils le feraient dans le vide, mais avec une masse effective différente . Parce que les électrons se comportent comme un gaz parfait, on peut aussi penser à la conduction en termes très simplistes tels que le modèle de Drude , et introduire des concepts tels que la mobilité des électrons .

Pour un remplissage partiel au sommet de la bande de valence, il est utile d'introduire la notion de trou électronique . Bien que les électrons de la bande de valence se déplacent toujours, une bande de valence complètement complète est inerte et ne conduit aucun courant. Si un électron est retiré de la bande de valence, alors la trajectoire que l'électron aurait normalement empruntée perd maintenant sa charge. Aux fins du courant électrique, cette combinaison de la bande de valence complète, moins l'électron, peut être convertie en une image d'une bande complètement vide contenant une particule chargée positivement qui se déplace de la même manière que l'électron. Combiné avec la masse effective négative des électrons au sommet de la bande de valence, nous arrivons à une image d'une particule chargée positivement qui répond aux champs électriques et magnétiques comme le ferait une particule normalement chargée positivement dans le vide, encore une fois avec quelques masse effective positive. Cette particule est appelée un trou, et la collection de trous dans la bande de valence peut encore être comprise en termes classiques simples (comme avec les électrons dans la bande de conduction).

Génération et recombinaison de porteurs

Lorsqu'un rayonnement ionisant frappe un semi-conducteur, il peut exciter un électron hors de son niveau d'énergie et par conséquent laisser un trou. Ce processus est connu sous le nom de génération de paires électron-trou . Des paires électron-trou sont également générées en permanence à partir d' énergie thermique , en l'absence de toute source d'énergie externe.

Les paires électron-trou sont également susceptibles de se recombiner. La conservation de l'énergie exige que ces événements de recombinaison, au cours desquels un électron perd une quantité d' énergie supérieure à la bande interdite , s'accompagnent de l'émission d'énergie thermique (sous forme de phonons ) ou de rayonnement (sous forme de photons ).

Dans certains états, la génération et la recombinaison de paires électron-trou sont en équilibre. Le nombre de paires électron-trou en régime permanent à une température donnée est déterminé par la mécanique statistique quantique . Les mécanismes précis de la mécanique quantique de génération et de recombinaison sont régis par la conservation de l'énergie et la conservation de la quantité de mouvement .

Comme la probabilité que les électrons et les trous se rencontrent est proportionnelle au produit de leurs nombres, le produit est à l'état stationnaire presque constant à une température donnée, à condition qu'il n'y ait pas de champ électrique significatif (qui pourrait « chasser » les porteurs des deux types, ou les déplacer des régions voisines contenant plus d'entre eux pour se rencontrer) ou la génération de paires externe. Le produit est fonction de la température, car la probabilité d'obtenir suffisamment d'énergie thermique pour produire une paire augmente avec la température, étant approximativement exp(− E G / kT ), où k est la constante de Boltzmann , T est la température absolue et E G est bande interdite.

La probabilité de rencontre est augmentée par les pièges à porteurs - des impuretés ou des dislocations qui peuvent piéger un électron ou un trou et le retenir jusqu'à ce qu'une paire soit terminée. De tels pièges à porteurs sont parfois ajoutés à dessein pour réduire le temps nécessaire pour atteindre l'état d'équilibre.

Se doper

La conductivité des semi-conducteurs peut être facilement modifiée en introduisant des impuretés dans leur réseau cristallin . Le processus d'ajout d'impuretés contrôlées à un semi-conducteur est connu sous le nom de dopage . La quantité d'impureté, ou de dopant, ajoutée à un semi-conducteur intrinsèque (pur) fait varier son niveau de conductivité. Les semi-conducteurs dopés sont dits extrinsèques . En ajoutant des impuretés aux semi-conducteurs purs, la conductivité électrique peut être modifiée par des facteurs de milliers ou de millions.

Un échantillon de 1 cm 3 d'un métal ou d'un semi-conducteur a l'ordre de 10 22 atomes. Dans un métal, chaque atome donne au moins un électron libre pour la conduction, ainsi 1 cm 3 de métal contient de l'ordre de 10 22 électrons libres, alors qu'un échantillon de 1 cm 3 de germanium pur à 20  °C contient environ4,2 × 10 22 atomes, mais seulement2,5 × 10 13 électrons libres et2,5 × 10 13 trous. L'ajout de 0,001 % d' arsenic (une impureté) donne 10 17 électrons libres supplémentaires dans le même volume et la conductivité électrique est multipliée par 10 000 .

Les matériaux choisis comme dopants appropriés dépendent des propriétés atomiques à la fois du dopant et du matériau à doper. En général, les dopants qui produisent les changements contrôlés souhaités sont classés comme accepteurs ou donneurs d' électrons . Les semi-conducteurs dopés avec des impuretés donneurs sont appelés type n , tandis que ceux dopés avec des impuretés acceptrices sont appelés type p . Les désignations de type n et p indiquent quel porteur de charge agit comme porteur majoritaire du matériau . Le porteur opposé est appelé porteur minoritaire , qui existe en raison d'une excitation thermique à une concentration beaucoup plus faible par rapport au porteur majoritaire.

Par exemple, le silicium semi-conducteur pur a quatre électrons de valence qui lient chaque atome de silicium à ses voisins. Dans le silicium, les dopants les plus courants sont le groupe III et du groupe V éléments. Les éléments du groupe III contiennent tous trois électrons de valence, les obligeant à fonctionner comme des accepteurs lorsqu'ils sont utilisés pour doper le silicium. Lorsqu'un atome accepteur remplace un atome de silicium dans le cristal, un état vacant (un « trou » d'électrons) est créé, qui peut se déplacer autour du réseau et fonctionner comme un porteur de charge. Les éléments du groupe V ont cinq électrons de valence, ce qui leur permet d'agir en tant que donneur ; la substitution de ces atomes au silicium crée un électron libre supplémentaire. Par conséquent, un cristal de silicium dopé au bore crée un semi-conducteur de type p tandis qu'un cristal dopé au phosphore donne un matériau de type n.

Pendant la fabrication , des dopants peuvent être diffusés dans le corps semi-conducteur par contact avec des composés gazeux de l'élément souhaité, ou une implantation ionique peut être utilisée pour positionner avec précision les régions dopées.

Semi-conducteurs amorphes

Certains matériaux, lorsqu'ils sont rapidement refroidis jusqu'à un état vitreux amorphe, ont des propriétés semi-conductrices. Ceux-ci incluent B, Si , Ge, Se et Te, et il existe plusieurs théories pour les expliquer.

Début de l'histoire des semi-conducteurs

L'histoire de la compréhension des semi-conducteurs commence par des expériences sur les propriétés électriques des matériaux. Les propriétés du coefficient temps-température de résistance, de rectification et de sensibilité à la lumière ont été observées à partir du début du XIXe siècle.

Thomas Johann Seebeck fut le premier à remarquer un effet dû aux semi-conducteurs, en 1821. En 1833, Michael Faraday rapporta que la résistance des spécimens de sulfure d'argent diminue, lorsqu'ils sont chauffés. Ceci est contraire au comportement des substances métalliques telles que le cuivre. En 1839, Alexandre Edmond Becquerel rapporte l'observation d'une tension entre un électrolyte solide et liquide, lorsqu'il est frappé par la lumière, l' effet photovoltaïque . En 1873, Willoughby Smith a observé que les résistances au sélénium présentent une résistance décroissante lorsque la lumière tombe sur elles. En 1874, Karl Ferdinand Braun a observé la conduction et la rectification dans les sulfures métalliques , bien que cet effet ait été découvert beaucoup plus tôt par Peter Munck af Rosenschold ( sv ) écrivant pour les Annalen der Physik und Chemie en 1835, et Arthur Schuster a découvert qu'une couche d'oxyde de cuivre sur les fils a des propriétés de rectification qui cessent lorsque les fils sont nettoyés. William Grylls Adams et Richard Evans Day ont observé l'effet photovoltaïque du sélénium en 1876.

Une explication unifiée de ces phénomènes nécessitait une théorie de la physique du solide , qui s'est considérablement développée dans la première moitié du 20e siècle. En 1878, Edwin Herbert Hall a démontré la déviation des porteurs de charge en écoulement par un champ magnétique appliqué, l' effet Hall . La découverte de l' électron par JJ Thomson en 1897 a incité les théories de la conduction à base d'électrons dans les solides. Karl Baedeker , en observant un effet Hall de signe inverse à celui des métaux, a émis l'hypothèse que l'iodure de cuivre avait des porteurs de charge positifs. Johan Koenigsberger a classé les matériaux solides comme les métaux, les isolants et les « conducteurs variables » en 1914 bien que son étudiant Josef Weiss ait déjà introduit le terme Halbleiter (un semi-conducteur au sens moderne) dans son doctorat. thèse en 1910. Felix Bloch a publié une théorie du mouvement des électrons à travers les réseaux atomiques en 1928. En 1930, B. Gudden a déclaré que la conductivité dans les semi-conducteurs était due à des concentrations mineures d'impuretés. En 1931, la théorie des bandes de conduction avait été établie par Alan Herries Wilson et le concept de bandes interdites avait été développé. Walter H. Schottky et Nevill Francis Mott ont développé des modèles de la barrière de potentiel et des caractéristiques d'une jonction métal-semi-conducteur . En 1938, Boris Davydov avait développé une théorie du redresseur à l'oxyde de cuivre, identifiant l'effet de la jonction p–n et l'importance des porteurs minoritaires et des états de surface.

L'accord entre les prédictions théoriques (basées sur le développement de la mécanique quantique) et les résultats expérimentaux était parfois médiocre. Cela a été expliqué plus tard par John Bardeen comme étant dû au comportement extrême « sensible à la structure » ​​des semi-conducteurs, dont les propriétés changent radicalement en fonction de minuscules quantités d'impuretés. Les matériaux commercialement purs des années 1920 contenant des proportions variables de contaminants à l'état de traces ont produit des résultats expérimentaux différents. Cela a stimulé le développement de techniques améliorées de raffinage des matériaux, aboutissant à des raffineries modernes de semi-conducteurs produisant des matériaux d'une pureté de parties par billion.

Les dispositifs utilisant des semi-conducteurs ont d'abord été construits sur la base de connaissances empiriques avant que la théorie des semi-conducteurs ne fournisse un guide pour la construction de dispositifs plus performants et plus fiables.

Alexander Graham Bell a utilisé la propriété photosensible du sélénium pour transmettre le son sur un faisceau de lumière en 1880. Une cellule solaire fonctionnelle, de faible efficacité, a été construite par Charles Fritts en 1883, à l'aide d'une plaque de métal recouverte de sélénium et d'une fine couche d'or; l'appareil est devenu commercialement utile dans les posemètres photographiques dans les années 1930. Jagadish Chandra Bose utilisa en 1904 des redresseurs détecteurs micro-ondes à contact ponctuel en sulfure de plomb ; le détecteur de moustaches de chat utilisant de la galène naturelle ou d'autres matériaux est devenu un dispositif courant dans le développement de la radio . Cependant, son fonctionnement était quelque peu imprévisible et nécessitait un réglage manuel pour de meilleures performances. En 1906, HJ Round a observé une émission de lumière lorsque le courant électrique passait à travers des cristaux de carbure de silicium , le principe de la diode électroluminescente . Oleg Losev a observé une émission de lumière similaire en 1922, mais à l'époque l'effet n'avait aucune utilité pratique. Les redresseurs de puissance, utilisant de l'oxyde de cuivre et du sélénium, ont été développés dans les années 1920 et sont devenus commercialement importants comme alternative aux redresseurs à tube à vide .

Les premiers dispositifs semi-conducteurs utilisaient de la galène , notamment le détecteur de cristal du physicien allemand Ferdinand Braun en 1874 et le détecteur de cristal radio du physicien bengali Jagadish Chandra Bose en 1901.

Dans les années qui ont précédé la Seconde Guerre mondiale, les dispositifs de détection et de communication infrarouges ont suscité des recherches sur les matériaux sulfure de plomb et séléniure de plomb. Ces appareils étaient utilisés pour détecter les navires et les avions, pour les télémètres infrarouges et pour les systèmes de communication vocale. Le détecteur à cristal à contact ponctuel est devenu vital pour les systèmes radio à micro-ondes car les dispositifs à tube à vide disponibles ne pouvaient pas servir de détecteurs au-dessus d'environ 4000 MHz; les systèmes radar avancés reposaient sur la réponse rapide des détecteurs à cristal. La recherche et le développement considérables de matériaux de silicium ont eu lieu pendant la guerre pour développer des détecteurs de qualité constante.

Les premiers transistors

Le détecteur et les redresseurs de puissance n'ont pas pu amplifier un signal. De nombreux efforts ont été déployés pour développer un amplificateur à semi-conducteurs et ont réussi à développer un dispositif appelé transistor à contact ponctuel qui pourrait amplifier 20 db ou plus. En 1922, Oleg Losev développa des amplificateurs à résistance négative à deux bornes pour la radio, mais il périt dans le siège de Leningrad après avoir réussi. En 1926, Julius Edgar Lilienfeld a breveté un dispositif ressemblant à un transistor à effet de champ , mais ce n'était pas pratique. R. Hilsch et RW Pohl en 1938 ont démontré un amplificateur à semi-conducteur utilisant une structure ressemblant à la grille de contrôle d'un tube à vide ; bien que l'appareil affiche un gain de puissance, il a une fréquence de coupure d'un cycle par seconde, trop faible pour toute application pratique, mais une application efficace de la théorie disponible. Aux Bell Labs , William Shockley et A. Holden ont commencé à étudier les amplificateurs à semi-conducteurs en 1938. La première jonction p-n dans le silicium a été observée par Russell Ohl vers 1941 lorsqu'un spécimen s'est avéré sensible à la lumière, avec une frontière nette entre impureté de type p à une extrémité et de type n à l'autre. Une tranche coupée de l'échantillon à la limite p–n a développé une tension lorsqu'elle est exposée à la lumière.

Le premier transistor fonctionnel était un transistor à contact ponctuel inventé par John Bardeen , Walter Houser Brattain et William Shockley aux Bell Labs en 1947. Shockley avait déjà théorisé un amplificateur à effet de champ fait de germanium et de silicium, mais il n'a pas réussi à construire un tel transistor fonctionnel. avant d'utiliser le germanium pour inventer le transistor à contact ponctuel. En France, pendant la guerre, Herbert Mataré avait observé une amplification entre des contacts ponctuels adjacents sur une base de germanium. Après la guerre, le groupe de Mataré n'a annoncé son amplificateur " Transistron " que peu de temps après que Bell Labs a annoncé le " transistor ".

En 1954, le physico-chimiste Morris Tanenbaum a fabriqué le premier transistor à jonction en silicium aux Bell Labs . Cependant, les premiers transistors à jonction étaient des dispositifs relativement volumineux qui étaient difficiles à fabriquer en série , ce qui les limitait à un certain nombre d'applications spécialisées.

Semi-conducteurs germanium et silicium

Mohamed Atalla a développé le procédé de passivation de surface en 1957 et le transistor MOS en 1959.

Le premier dispositif semi-conducteur en silicium était un détecteur de radio-cristal de silicium, développé par l'ingénieur américain Greenleaf Whittier Pickard en 1906. En 1940, Russell Ohl a découvert la jonction pn et les effets photovoltaïques dans le silicium. En 1941, des techniques de production de cristaux de germanium et de silicium de haute pureté ont été développées pour les détecteurs de micro - ondes radar pendant la Seconde Guerre mondiale . En 1955, Carl Frosch et Lincoln Derick des Bell Labs ont accidentellement découvert que le dioxyde de silicium (SiO 2 ) pouvait être cultivé sur du silicium, et ils ont proposé plus tard que cela pourrait masquer les surfaces de silicium pendant les processus de diffusion en 1958.

Dans les premières années de l' industrie des semi - conducteurs , jusqu'à la fin des années 1950, le germanium était le matériau semi-conducteur dominant pour les transistors et autres dispositifs semi-conducteurs, plutôt que le silicium. Le germanium était initialement considéré comme le matériau semi-conducteur le plus efficace, car il était capable de démontrer de meilleures performances en raison d'une plus grande mobilité des porteurs . Le manque relatif de performances des premiers semi-conducteurs en silicium était dû à la conductivité électrique limitée par des états de surface quantiques instables , où les électrons sont piégés à la surface, en raison de liaisons pendantes qui se produisent parce que des liaisons insaturées sont présentes à la surface. Cela empêchait l' électricité de pénétrer de manière fiable la surface pour atteindre la couche de silicium semi-conducteur.

Une percée dans la technologie des semi-conducteurs au silicium est survenue avec les travaux de l'ingénieur égyptien Mohamed Atalla , qui a développé le processus de passivation de surface par oxydation thermique aux Bell Labs à la fin des années 1950. Il a découvert que la formation d'une couche de dioxyde de silicium à croissance thermique réduisait considérablement la concentration d' états électroniques à la surface du silicium et que les couches d'oxyde de silicium pouvaient être utilisées pour stabiliser électriquement les surfaces de silicium. Atalla a d'abord publié ses découvertes dans les mémos de Bell en 1957, puis l'a démontré en 1958. C'était la première démonstration à montrer que des films isolants en dioxyde de silicium de haute qualité pouvaient être développés thermiquement sur la surface du silicium pour protéger les diodes de jonction pn en silicium sous-jacentes et transistors. Le processus de passivation de surface d'Atalla a permis au silicium de surpasser la conductivité et les performances du germanium, et a conduit le silicium à remplacer le germanium en tant que matériau semi-conducteur dominant. Le processus de passivation de surface d'Atalla est considéré comme l'avancée la plus importante dans la technologie des semi-conducteurs au silicium, ouvrant la voie à la production en série de dispositifs semi-conducteurs au silicium. Au milieu des années 1960, le procédé d'Atalla pour les surfaces en silicium oxydé était utilisé pour fabriquer pratiquement tous les circuits intégrés et dispositifs en silicium.

MOSFET (transistor MOS)

Le MOSFET (transistor MOS) a été inventé par Mohamed Atalla et Dawon Kahng en 1959.

À la fin des années 1950, Mohamed Atalla a utilisé ses méthodes de passivation de surface et d' oxydation thermique pour développer le procédé métal-oxyde-semiconducteur (MOS), qu'il a proposé d'utiliser pour construire le premier transistor à effet de champ en silicium fonctionnel. Cela a conduit à l'invention du MOSFET (transistor à effet de champ MOS) par Mohamed Atalla et Dawon Kahng en 1959. C'était le premier transistor vraiment compact qui pouvait être miniaturisé et produit en série pour un large éventail d'utilisations, avec son évolutivité , et une consommation d'énergie beaucoup plus faible et une densité plus élevée que les transistors à jonction bipolaire , le MOSFET est devenu le type de transistor le plus courant dans les ordinateurs, l'électronique et les technologies de communication telles que les smartphones . L' Office américain des brevets et des marques qualifie le MOSFET d'« invention révolutionnaire qui a transformé la vie et la culture dans le monde entier ».

Le processus CMOS (complémentaire MOS) a été développé par Chih-Tang Sah et Frank Wanlass chez Fairchild Semiconductor en 1963. Le premier rapport d'un MOSFET à grille flottante a été réalisé par Dawon Kahng et Simon Sze en 1967. FinFET ( finition field effect transistor ), un type de MOSFET multi-portes 3D , a été développé par Digh Hisamoto et son équipe de chercheurs au Hitachi Central Research Laboratory en 1989.

Voir également

Les références

Lectures complémentaires

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